垂直起降飞行控制探索先驱(一),VAAC“鹞”式战斗机测试平台

/2020-05-28/
原标题:垂直起降飞行控制探索先驱(一),VAAC“鹞”式战斗机测试平台在垂直起降战斗机的的实用化方面,经历了从上世纪六十年代的英国“鹞”式,到21世纪F-35B... ...

原标题:垂直起降飞行控制探索先驱(一),VAAC“鹞”式战斗机测试平台

在垂直起降战斗机的的实用化方面,经历了从上世纪六十年代的英国“鹞”式,到21世纪F-35B“闪电II”的巨大进步。这期间,有一种非常具有历史意义的飞机将它们联系在一起,起到了承上启下的作用。很明显,这就是“矢量推力和先进飞行控制”(VAAC)飞机,也是世界上最古老的双座“鹞”式飞行试验平台。VAAC“鹞”式的经验,对F-35B的飞行和推力控制开发起到重要作用。

2007年3月,克里斯·格特克中尉驾驶VAAC”鹞“式在博斯库姆上空飞行

2008年11月,英国国防科技集团奎奈蒂克公司(QinetiQ,由英国国防评估和研究署DERA的大部分下属机构组建)决定让VAAC“鹞”式退役。至此,这种卓越飞行试验平台,结束了自己突破极限且多样化的飞行生涯。

1970年范堡罗航展,早期的XW175号机作为霍克·西德利”多功能鹞式“战斗机样机展示飞行,下面是一架AV-8A

VAAC“鹞”式(机号XW175)使用了最古老的“鹞”式飞机机体,不仅一直使用到退役前夕,也是同类机型中唯一使用全权数字飞行控制系统的飞机。在其整个飞行生涯中,XW175一直被用于 垂直/短距起降(V/STOL)领域的飞行研究和航电测试。早些年间,VAAC的测试支撑着相关航空电子和着舰辅助设备的发展,有力促进了“海鹞”(Sea Harrier)在低能见度或夜间执行着舰任务的能力进步。后来,XW175又被用于支持开创性的“自动着舰技术演示”项目,并且完成了 “舰载滑行垂直降落”(SRVL)模式的海上试验。虽然已经退役,但VAAC“鹞”式所取得的各种研究成果,比如“先进飞行和推力控制技术”,已经被洛克希德·马丁公司的 F-35B“闪电II”短距起飞/垂直降落(STOVL)战机所应用。

1977年,鹞式XW175号机在皇家航空研究院贝德福德进行滑跃起飞测试,可调式滑跃甲板被提升到最大20°倾角

鉴于上文术语颇多,在此略作小注以便理解。我们知道美国的F-35B隐身战机属于STOVL型,即短距起飞+垂直降落(Short Take Off,Vertical Landing)。虽然该机不叫垂直起飞/降落(VTOL)飞机,但是也具备垂直起飞能力,但是受限于垂起模式载荷较低,故实战中多用短距起飞模式。至于我们所说的SRVL“舰载滑行垂直降落”(可以理解为短距降落),则是由英国开发的一种降落模式,并且首先在英国的“伊丽莎白女王”号航空母舰和F-35B舰载机实现,未来美国两栖攻击舰上的F-35B也将从“垂直降落”(VL)模式过渡到SRVL模式。两者的区别是,当采用“垂直降落”(VL)模式时,飞机飞到航母左舷外侧,尾喷管由向后偏转到向下位置,使飞机减速并“悬停”,然后横向移动至甲板上方并降低推力垂直落在甲板上。当采用“滑行垂直降落”(SRVL)模式时,初始过程与传统的舰载机降落相似,飞机飞临舰船尾部,尾喷管向下偏转一定角度(但并不垂直),使飞机减速并最终降落在飞行甲板上,此时依靠自身刹车装置(不需要尾钩)滑跑一段距离后停止。采用SRVL模式降落能够节省燃油、提高着舰载荷。

F-35B的降落模式示意,左侧为垂直降落VL示意,底部为滑行垂直降落SRVL示意

四十多年前,位于贝德福德的英国皇家航空研究院首次提出了“矢量推力和先进飞控”概念,并在今天带来了显著成果。但是,当初VAAC“鹞”式的主要工作之一,就是通过飞行试验让那些“持怀疑态度”的人们相信,这种与“垂直/短距起降”截然不同的飞行控制方法,具有显著优势。

飞行控制难题

彼得·班尼特中尉于1977年底抵达贝德福德,开始参与试飞员工作。他是英国皇家空军首批两名在“鹞”GR1战机上从头开始学习的前线飞行员之一。在进入帝国试飞员学校学习之前,他已经在威尔登拉斯基地的第4中队和维特林基地的第1中队服役,并多次完成作战飞行任务。

上世纪90年代初期,VAAC”鹞“式归英国国防研究局所有,保持着灰绿色涂装

对班尼特来说,试验飞行是一个绝佳机会,可以满足他对航空电子领域突飞猛进发展的好奇心。“来到贝德福德,我发现和科学家们一起工作非常有意义,”班尼特说道,“他们对我很有启发,同时我也能从飞行员的角度向他们提供颇有见地的意见。飞行员的意见非常重要, 科研人员并不能完全理解驾驶舱里发生的事情,以及如何使用显示器和仪表。因此,虽然他们想法多多,但解决方案却不那么可靠,而我的工作就是协助他们实现那些看起来很有潜力的想法。”

1986年,在克兰菲尔德理工学院机库外,对XW175号机进行VAAC项目第一阶段改装完成后展示

垂直/短距起降(V/STOL)研究和测试是当时贝德福德基地的主要工作,其中大部分任务都集中在调校和验证系统方面,这些系统不久之后将随“海鹞”战斗机一起服役。此外,还有大量重要的研究机构正在研究适用于 “后续先进短距起飞、垂直着舰”(ASTOVL)战斗机的概念、技术和工艺,以便开发具备更高有效载荷、更大作战半径和超音速能飞行力的飞机。

1977年2月,XW175号机在”竞技神“号航空母舰上测试,为”海鹞“战斗机计划积累试验数据

英国人当时的想法是用ASTOVL飞机替代“鹞式/海鹞”,计划在上世纪90年代后期投入使用。但很明显,要实现这一雄心壮志,还需要克服许多技术障碍。例如,在对未来ASTOVL推进概念进行了初步研究后证明,低速和悬停状态的飞行控制异常复杂。而且,研究人员当时普遍认为,如果使用先进的电传飞控系统,ASTOVL战斗机将存在固有的不稳定性。

1999年9月,XW175双座版VAAC鹞式首次在”卓越“号航空母舰上降落

班尼特认为,与垂直/短距起降相关的技术复杂性,已经被“鹞”式飞行员沉重的训练负担和高事故率证明。他了解这种飞机存在的弊端,并在整个飞行生涯中失去了许多同事,仅有一部分人依靠 马丁·贝克MK 9型弹射座椅逃生。他回忆道:“部分问题在于许多飞行员把‘鹞’式当成霍克‘猎人’战斗机操作,这在传统的机翼升力飞行模式中没有问题,这两种飞机的飞行方式非常相似。但倘若在垂直/短距起降飞行模式中,你的操作偏离了标准参数设置,‘鹞’式飞机可能会表现的极为严酷(容错性很差)。”

马丁·贝克MK 9型弹射座椅,装备”鹞“式GR MK.3战机

问题的核心则在于, 当“鹞”式飞机从“机翼升力飞行”(wing-borne)向“喷气发动机升力飞行”过渡时,飞行员必须同时用右手摇杆操作三个独立的控件/接收器,用左手控制节流阀操纵杆调节油门,以及发动机喷嘴角度控制。这样复杂的操作给飞行员大幅增加了工作量,并要求其保持高度的灵活性和敏捷性,更不用说这些工作还必须严格依照特定的时间和顺序进行。这些复杂控制也带来了认知障碍风险,即使是最好的飞行员,也可能在忙乱中将油门和喷嘴控制混淆,从而造成灾难性后果。

2007年,VAAC”鹞“式进行校准悬停测试,评估统一控制系统在低速模式下的处理能力

英国皇家航空研究院(RAE)的技术人员认识到,下一代ASTOVL战斗机将需要某种形式的飞行和推进计算机辅助集成控制系统,以提高飞行控制质量,简化飞行员过渡飞行时的工作量。这种要求使用先进飞控软件和相关控制显示的概念,代表着自“鹞”式以来,垂直起降战机机械控制模式将发生根本性变化。

霍克“猎人”高亚音速战斗机,也是英国战后最成功的一种战斗机。其飞行体验与鹞式机翼升力飞行模式类似

但是,在应用这些技术之前还存在着许多未知的风险。为了降低风险,作为英国国防部“垂直/短距起降”飞行研究和测试关键机构的皇家航空研究院,开始着手建立主动控制飞行试验台,以研究适用于ASTOVL飞机的低速飞行控制、相关软件程序和驾驶舱显示。 为此,英国政府在1978-1979年提出了以皇家航空研究院(RAE)和英国宇航公司(BAE)为主,联合研究“垂直/短距起降显示与先进控制”(VDAC)计划,该计划还评估了以XW175号机作为飞行试验台加以改进的设想。

改进后,XW175号机前座舱,保留传统机械控制和仪表

根据当时的想法,XW175双座“鹞”式飞机的前座将被当作安全飞行员舱,保留初代“鹞”式的机械控制;而后座舱将被连接到一个完全独立的实验性电传操纵系统中,用以新技术评估。这种安排可以使后座评估飞行员在飞行中测试不同的控制规律,当飞机超过规定的安全飞行包线时,前排安全飞行员则接手重新控制飞机。为了进一步保证安全,XW175飞机还将安装独立电子监控器,以便在实验电传控制系统超出范围或发生故障时,自动断开电传控制系统。

接入电传操纵系统的后座舱,已经颇具数字化风格

统一控制(unified control)概念的起源,通常可以追溯到由班尼特和皇家航空研究院科学家彼得·尼古拉斯共同撰写的技术备忘录FS 312。这篇20页的论文,由RAE飞行研究部于1980年3月出版,论文标题是《为矢量控制V/STOL飞机提出一种宽包线统一控制概念》,文章对一种新控制策略的初步建议进行了概述,这是一种将所有飞行模式纳入统一控制模式的构想。

悬停中的VAAC”鹞“式战机,就这样看着你

事实上,在几个月之前,美国的一些工作引发了人们对统一控制的初步思考。班尼特解释说:“当我在皇家航空研究院贝德福德基地工作期间,我们与美国航空航天局艾姆斯研究中心(NASA Ames)就垂直/短距起降(V / STOL)研究进行了强有力的合作。他们在一个庞大而复杂的飞行模拟器上进行了与我们类似的研究,我与贝德福德的其他人也曾一起在那里体验模拟飞行。”

VAAC”鹞“式的机翼被拆解后,运往约克郡先进喷气试验中心

1979年10月,英国皇家航空研究院参与了利用美国NASA模拟器,进行“垂直/短距起降设备”从飞行向悬停和着陆阶段过渡的研究,研究内容包括控制系统对飞行姿态和速度的解耦。通过研究,期望在初期先解决“鹞”式飞机进近俯仰姿态控制时,解放飞行员右手的问题。在飞机的整个进近和悬停过程中,使用左手操作杆前后动作调整垂直速度,左手拇指感受器控制过渡段减速和悬停过程的纵向速度;而整个飞行过程中,右手始终只用控制飞机的坡度角,提供向前飞行时的转弯速度和盘旋时的侧向加速度。

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